低用水量大掺量粉煤灰高性能混凝土的基本特性研究

摘要 研究了低用水量、低水胶比下，大掺量粉煤灰高性能混凝土的基本性能，结果表明，粉煤灰掺量为30%、50%时,混凝土的后期强度不断增长且增长率显著提高；能明显改善混凝土孔结构，孔隙明显细化，小于20nm的无害孔明显增多；掺粉煤灰混凝土中氢氧化钙含量跟水化龄期和掺量有很大关系，在28天左右，粉煤灰已经能够很好的与水泥水化产生的Ca(OH)2发生反应；混凝土中Ca(OH)2 的明显减少和孔结构的改善是低用水量大掺量粉煤灰混凝土后期强度增长率显著提高的主要原因。

关键词 粉煤灰； 混凝土； 低用水量； 强度特性；孔结构

中图分类号 TU528.31

0 前言

　　据有关部门调查，我国能生产水泥的石灰石贮量仅500亿吨, 可采量50％，仅2006年全年水泥产量就达到12.2亿吨，照这样计算，我国现有的石灰石储量，仅够水泥工业使用40年～50年。我国水泥、混凝土行业即将面临资源危机，目前正在推广的新农村建设将使中国迎来新一轮的建设高潮，混凝土仍然是最主要的建筑材料之一，因此，在不减少混凝土产量的情况下有必要最大限度的减少水泥用量。研究表明[1~4]，

　　增大粉煤灰用量不仅可以减少水泥的用量节约能源，降低水化热，还能够改善混凝土的性能，提高混凝土的质量，但是，陈益民等[5]研究也发现，粉煤灰掺量过高也会使混凝土中发生贫钙现象而不利于混凝土的耐久性。以往的主要在较大的用水量和中水灰比的情况下研究大掺量粉煤灰混凝土的性能。本研究探讨在低用水量和低水胶比下，大掺量粉煤灰高性能混凝土的工作性、强度、氢氧化钙和孔结构的变化规律。

1 原材料

　　1）水泥，某厂PO42.5R，水泥物理性能见表1；

　　2）粉煤灰，其化学成份和物理性能见表2；

　　3）集料，粗集料使用最大粒径为20mm，密度为2.71g/cm3的碎石，细集料密度为2.53g/cm3，细度模数为2.59的河砂；

　　4）减水剂 采用聚羧酸系高效减水剂，固含量为19%。

2 试验方法

2.1 配合比

　　胶凝材料用量固定为400kg/m3，用水量固定130kg/m3, 用减水剂来调整新拌初始没有粉煤灰混凝土工作性，主要观察新拌混凝土不泌水、不分离。粉煤灰对水泥的替代总量分别为30%、50%和70%，砂率控制在0.45，混凝土配合比见表3。

2.2 试件成型、养护与测试

　　混凝土的搅拌制度为：胶结料、砂干拌混合搅拌30s后，加约80%的水和减水剂（水和减水剂先混合），搅拌90s，加入碎石、剩余的水和减水剂再搅拌90s。试件尺寸：150mm×150mm×150mm。将试件放入标准养护室养护，温度（20±3）℃，湿度90%以上。

　　混凝土的7d、28d和91d的抗压强度测试按《普通混凝土力学性能试验方法》（GBJ81-85）的规定进行。

　　孔结构和氢氧化钙分析：在到达龄期的试件上取样，剪成5mm左右的小块，立即用丙酮洗涤并浸泡24h，取出等丙酮充分挥发后，放入真空干燥箱中65℃干燥7d。一部分采用AUTOPOREⅣ9500压汞仪对样品进行测试，测试压力最高为228MPa，测定孔隙范围为：5-600000nm。对同一龄期试件分别测定3次，取平均值[6]，另外一部分进行磨细，进行DSC-TG分析，升温速率为10℃/min，但是在300-600℃升温速率为5℃/min，气氛为氮气。

3 实验结果和分析

3.1 新拌混凝土的工作性

　　粉煤灰对新拌混凝土的工作性的影响见图1。由试验结果可以看出，在控制坍落度基本一致的条件下，随粉煤灰掺量的增加，新拌混凝土的扩展度增大，这主要是因为在混凝土中粉煤灰的密实填充作用，当粉煤灰颗粒填充于水泥粒子之间的空隙中时，置换出填充水,使粒子间的间隔水层加厚，同时，粉煤灰珠形颗粒的“滚珠效应”也可以大大改善混凝土的流动性，在低水胶比的混凝土中颗粒间的间隔水极少，这种效果则更为明显。

3.2 强度变化规律

　　粉煤灰掺量对混凝土抗压强度的影响见图2。结果表明，混凝土的抗压强度随粉煤灰掺量的增加而降低，特别是早期强度降低比较明显，纯水泥混凝土的抗压强度在早期增长较快，其7d的抗压强度大约是28 d抗压强度的85.9%。粉煤灰混凝土抗压强度在早期发展较慢，粉煤灰掺量为30%时，混凝土的7d抗压强度大约是28d抗压强度的75.3%，粉煤灰掺量为50%和70%时，混凝土的7d抗压强度大约是28d抗压强度的60%左右。纯水泥混凝土的抗压强度在后期的增长速率明显低于粉煤灰混凝土，其28d至91d抗压强度增长速率为4.2%。粉煤灰掺量为30%、50%、70%时，混凝土的91d抗压强度相对于28d抗压强度增长率为4.9%、26.5%、78.2%，另外，对于91d来说，掺加30%和50%粉煤灰的混凝土强度差别不大，其后期强度的发展主要是因为粉煤灰中的活性成分与水泥水化生成的氢氧化钙反应，生成水化硅酸钙和水化铝酸钙，不断填充混凝土的孔隙，使混凝土的强度进一步提高，这与文献[7]的结果是一致的。

3.3 氢氧化钙含量

　　图3为DSC-TG分析定量测出的龄期7d和28d混凝土中Ca(OH)2的含量随粉煤灰掺量和水化龄期的变化结果，可见混凝土中Ca(OH)2的含量随粉煤灰掺量的增加和水化龄期的延长而降低，这与以前的研究结果是一致的。在图3中我们还给出了假设混凝土体系中没有粉煤灰时Ca(OH)2的计算含量（图中虚线所示），结果表明，7天龄期时假设混凝土体系中没有粉煤灰时Ca(OH)2的计算含量明显大于掺加粉煤灰的混凝土中的Ca(OH)2的含量，而在28天龄期时，假设混凝土体系中没有粉煤灰时Ca(OH)2的计算含量明显小于掺加粉煤灰的混凝土中的Ca(OH)2的含量，这说明，粉煤灰的加入有利于水泥的早期水化，这可能是粉煤灰的加入使得整个体系的分散得到加强，水泥颗粒与水的接触几率加大，这样水泥的水化速度加快，水化产物增多的缘故。而随着水化时间的延长，水泥水化产生的Ca(OH)2将于粉煤灰发生反应，生成C-S-H凝胶和含铝（铁）水化物等，这说明，在28天左右，粉煤灰已经能够很好的与水泥水化产生的Ca(OH)2发生反应了。

3.4 粉煤灰混凝土的孔径分布

　　已有研究结果表明，混凝土强度与孔径分布有很密切的关系。粉煤灰掺量对混凝土的孔径分布测试结果如图4和图5所示，由实验结果可知，不论是纯水泥混凝土还是粉煤灰混凝土随着水化龄期的增长大于20 nm的有害孔逐渐减少，同时也可以看出混凝土粉煤灰掺量为30%、50%， 28d龄期时的无害孔部分明显多于纯水泥混凝土，这说明适当的粉煤灰掺量能明显改善混凝土的孔结构并使孔隙明显细化。比较强度结果也可以知道在7d和28d掺量为30%和50%的粉煤灰混凝土的强度增进率远大于纯水泥混凝土的强度增长率。另外，粉煤灰掺量为70%时28 d龄期的有害孔明显增多，这说明水泥基太少时不能提供激发粉煤灰充分反应的碱性物质，图3可以说明了这一点。

4 结论

　　a. 在低水用水量下，大掺量粉煤灰混凝土的28d和91d抗压强度增进率明显提高，粉煤灰有加速早期水泥水化的作用；

　　b. 掺粉煤灰混凝土中氢氧化钙含量跟水化龄期和掺量有很大关系，在28天左右，粉煤灰已经能够很好的与水泥水化产生的Ca(OH)2发生反应；

　　c．粉煤灰掺量为30%、50%时，能明显改善混凝土的孔结构,使孔隙明显细化，小于20nm的无害孔明显增多，但是粉煤灰掺量为70%时28 d龄期的有害孔明显增多，这说明水泥基太少时不能提供激发粉煤灰充分反应的碱性物质；

　　d. 混凝土中Ca(OH)2 的明显减少和孔结构的改善是低用水量大掺量粉煤灰后期强度增长率提高的主要原因。

参考文献

　　1 N. Bouzoubaa, M.H. Zhang, V.M. Malhotra. Laboratory-produced high–volune fly ash blended cements compressive strength and resistance to the chloride–ion penetration. [J] Construction and Building Materials,2000: (30) 1037~1046.

　　2 V..M. Malhotra, P.K. Metha. High-Performance, High-Volume fly ash concrete. [M], August Ottawa, Canada, MarquardtLtd.2002:1~99.

　　3 Shaikh Faiz Uddin Ahmed , Mohamed Maalej , P. Paramasivam. Flexural responses of hybrid steel-polyethy-lene fiber reinforced cement composites containing high volume fly ash[J] Construction and Building Materials,2007: (21) 1088~1097.

　　4 Prinya Chindaprasirt , Chai Jaturapitakkul , Theerawat Sinsiri Effect of fly ash fineness on microstructure of blended cement paste [J] Construction and Building Materials,2007: (21) 1534~1541.

　　5 陈益民，张洪涛，林震。三峡大坝粉煤灰的水化反应速率与大坝混凝土贫钙问题[J]，水利学报，2002（8）：7-11。

　　6 冯庆革，杨绿峰，陈正．高活性稻壳灰混凝土的强度特性和孔结构研究[J]．武汉理工大学学报， 2005 （2）：17~20.

　　[7] 刘宝举，杨元霞．大掺量粉煤灰高强混凝土研究[J]．混凝土，2004(4)：29～34 .